一種內(nèi)部列管分布式的固態(tài)發(fā)酵方法及發(fā)酵罐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種內(nèi)部分布列管的固態(tài)發(fā)酵方法及發(fā)酵罐，其結(jié)構(gòu)由：內(nèi)部有蛇管分布的立式罐體，液體循環(huán)系統(tǒng)及水冷式冷水機系統(tǒng)組成。發(fā)酵過程中通過液體循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)由罐體內(nèi)分布的蛇管對罐體內(nèi)物料進行冷卻，增強發(fā)酵過程中的傳熱效率，同時采用罐內(nèi)提升裝置使物料盤可以方便取出和放入。本發(fā)明的設(shè)計使罐體內(nèi)的溫度可維持在適宜發(fā)酵的范圍內(nèi)，防止發(fā)酵熱量的堆積。另一方面，物料均勻的分布在冷卻蛇管之間，使得物料溫度梯度降低，有利于微生物的生長代謝。
【專利說明】—種內(nèi)部列管分布式的固態(tài)發(fā)酵方法及發(fā)酵罐
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于生物化工領(lǐng)域，特別涉及內(nèi)部分布列管的固態(tài)發(fā)酵方法及發(fā)酵罐。
【背景技術(shù)】
[0002]固態(tài)發(fā)酵(Solid-state fermentation, SSF)是指使用不溶性固體基質(zhì)來培養(yǎng)微生物的工藝過程，即指在沒有或幾乎沒有自由水存在下，在有一定濕度的水不溶性固態(tài)基質(zhì)中，培養(yǎng)一種或多種微生物的生物反應(yīng)過程。液體深層發(fā)酵自上世紀40年代以來一直是發(fā)酵行業(yè)的主角。但隨著時代的發(fā)展，液體深層發(fā)酵技術(shù)高污染和高能耗等問題使其進一步發(fā)展遇到了障礙。固態(tài)發(fā)酵天然具有節(jié)水、節(jié)能的獨特優(yōu)勢，屬于清潔生產(chǎn)技術(shù)，近年來受到世界各國的重視。
[0003]從生態(tài)學和仿生學的觀點來看，固態(tài)發(fā)酵中微生物是在接近于自然條件的狀況下生長的，更適宜于微生物的生存、繁殖和代謝。固態(tài)發(fā)酵，尤其是產(chǎn)品為生物量或初級代謝產(chǎn)物的固態(tài)發(fā)酵相對于液態(tài)深層發(fā)酵，展現(xiàn)出更大的優(yōu)勢。
[0004]近年來隨著環(huán)境和資源問題的加劇，木質(zhì)纖維素類可再生資源的開發(fā)利用引起了人們的極大關(guān)注，利用這類可再生資源的一個重要有效途徑就是固態(tài)發(fā)酵技術(shù)。近年來固態(tài)發(fā)酵技術(shù)已逐漸成為研究的新熱點，其關(guān)鍵問題是開發(fā)合適的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，實現(xiàn)固態(tài)發(fā)酵的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。
[0005]生物反應(yīng)器提供生物生長的環(huán)境，可以阻止外物進入和內(nèi)部物質(zhì)的外溢，必須無毒、耐振動、不易腐蝕，有良好的通氣、散熱、冷卻性能，能夠進行無菌操作。固態(tài)發(fā)酵的反應(yīng)基質(zhì)以固態(tài)形式存在，反應(yīng)體系內(nèi)的傳遞過程極其復(fù)雜，目前缺乏適用的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器正是限制固態(tài)發(fā)酵大規(guī)模應(yīng)用于現(xiàn)代生物反應(yīng)工程的一個重要因素。
[0006]固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器以培養(yǎng)基的運動狀態(tài)情況可以分為兩類，①靜態(tài)式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，包括淺盤式和塔柱式反應(yīng)器；②動態(tài)式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器，包括機械攪拌的筒、柱式、轉(zhuǎn)鼓式反應(yīng)器等。靜態(tài)固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵基質(zhì)在發(fā)酵過程中基本處于靜止狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、放大問題小，但正由于基質(zhì)的相對靜止，熱量、氧氣和其他營養(yǎng)物質(zhì)的傳遞困難，從而導(dǎo)致基質(zhì)內(nèi)部濕度、溫度、酸堿度和菌體生長狀態(tài)的嚴重不均勻，使其難以被應(yīng)用在大規(guī)模的生產(chǎn)上。動態(tài)式固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器中的基質(zhì)處于間斷或連續(xù)的運動狀態(tài)，而強化了傳熱和傳質(zhì)，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，自動化程度相對較高，大多數(shù)的固態(tài)發(fā)酵大規(guī)模生產(chǎn)都是在有攪拌的系統(tǒng)中完成的，但由于機械部件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，滅菌消毒比較困難，固態(tài)基質(zhì)的攪拌能耗過大，發(fā)酵物料的持續(xù)運動有可能會破壞菌絲體，從而影響菌體的生長與代謝。對于實驗室規(guī)模的發(fā)酵過程，攪拌所起的作用(如促進物質(zhì)傳遞，使發(fā)酵基質(zhì)內(nèi)部參數(shù)均勻)不一定十分顯著，因而這種設(shè)備的放大是一個突出的問題。
[0007]專利號ZL02100176.6公開了一種氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵方法及其發(fā)酵裝置，其創(chuàng)新之處在于將培養(yǎng)基置于壓力脈動及循環(huán)流動空氣組成的雙動態(tài)環(huán)境中進行發(fā)酵。用動態(tài)的空氣替代了傳統(tǒng)的機械攪拌，這是一個根本的革新，為后續(xù)的固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器設(shè)計提供了新的思路和方向。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]【發(fā)明目的】固態(tài)發(fā)酵天然具有節(jié)水、節(jié)能的優(yōu)勢。但是由于固態(tài)發(fā)酵是以氣相為連續(xù)相的生物反應(yīng)過程，氣體是生物反應(yīng)過程中熱量、營養(yǎng)和產(chǎn)物的傳遞介質(zhì)，因此熱量傳遞困難，存在明顯的溫度梯度，散熱問題成為固態(tài)發(fā)酵工業(yè)放大的主要障礙。傳統(tǒng)的解決辦法主要有加大通氣量，增加攪拌的強度等，但均各有利弊，并不能有效解決散熱問題。本發(fā)明的目的就是提供一種新的設(shè)計，有效解決固態(tài)發(fā)酵反應(yīng)器的散熱問題。
[0009]【本發(fā)明的構(gòu)思】本發(fā)明借鑒專利ZL02100176.6的設(shè)計，將間接冷卻改為直接接觸冷卻，在罐內(nèi)均勻分布豎直列管，兩端分別相連成蛇形狀。在列管中通入冷卻水來帶走物料產(chǎn)生的熱量，解決了只依靠氣體傳遞散熱慢的弊端，有效解決固態(tài)發(fā)酵過程中的散熱問題，由于列管豎直放置，使得物料盤可以多層累積放置，既能有利于提高發(fā)酵效率，又能增加發(fā)酵罐的處理量，極大便利于工業(yè)放大。
[0010]【本發(fā)明技術(shù)方案】本發(fā)明的基本構(gòu)造如附圖1:
發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)為一個圓柱體，高徑比為1:0.5-1:10。發(fā)酵罐采用不銹鋼、碳鋼或者內(nèi)部使用不銹鋼襯里外部使用碳鋼加工制造。發(fā)酵罐的罐蓋(7)采用帶密封的快開門結(jié)構(gòu)，罐蓋(7)上布置有溫度、濕度和壓力傳感器(4)用于監(jiān)控反應(yīng)器內(nèi)部溫度、濕度和壓力并配合發(fā)酵自動控制系統(tǒng)對罐體的操作。發(fā)酵罐內(nèi)均勻分布豎直列管，列管在罐體頂部和底部分別曲折相連，在發(fā)酵罐的上部和下部分別與外部冷卻機組相連。列管內(nèi)通冷卻水，對料盤中物料進行熱交換。發(fā)酵罐底部是錐形結(jié)構(gòu)，錐形的角度根據(jù)需要可以在60° -150°之間選擇，發(fā)酵罐底部安裝排污閥(11)，用于發(fā)酵過程培養(yǎng)基的排放。料盤(3)的高度為30-200mm，直徑和發(fā)酵罐的直徑相配合，根據(jù)料盤高度和反應(yīng)器高的比例，反應(yīng)器內(nèi)部安裝2-50層料盤。
[0011]本發(fā)明具有以下特點和優(yōu)勢:
1.發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，內(nèi)`部不存在機械運動部件，設(shè)備的整體可靠性增加；
2.采用罐內(nèi)分布豎直列管冷卻降溫，列管均勻分布于料盤中間，可以對物料進行均勻冷卻，迅速帶走所產(chǎn)生的熱量，保持基質(zhì)內(nèi)部溫度的均勻性，有利于菌體的均勻化生長；
3.采用立式發(fā)酵罐，料盤豎直上下相疊分布，既有利于物料的充分散熱，又極大地增大了發(fā)酵過程的處理量，有利于工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1內(nèi)部分布列管的固態(tài)發(fā)酵罐，
圖2料盤側(cè)視圖和俯視圖
1，罐壁；2，培養(yǎng)基；3，料盤；4，溫度、壓力和濕度傳感器；5，放氣閥；6，軸封；7，罐蓋；8，冷卻水管；9，進氣閥；10，熱交換器和過濾器；11，排污閥；12，蒸汽閥；13，蒸汽管；14，料盤底；15，料盤十字架；16，冷卻水管口 ；17，網(wǎng)眼。
【具體實施方式】
[0013]下面通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0014]實施例1利用內(nèi)部列管分布式固態(tài)發(fā)酵罐發(fā)酵綠色木霉reesei )生產(chǎn)纖維素酶。
[0015]采用高徑比為1:0.5，直徑為1.5m，罐體圓柱體高度為3m的發(fā)酵罐，體積為5.3m3。料盤高度為15cm，料盤層數(shù)為20層。固態(tài)發(fā)酵所使用的培養(yǎng)基為汽爆玉米秸桿和麥麩，其質(zhì)量比為4:1，兩者充分混合后加入2.5倍(質(zhì)量比)的無機鹽溶液，無機鹽溶液的組成是:(NH4)2SO4,15 g/L;MgS04，6 g/L ；KH2PO4, 3 g/L。培養(yǎng)基在蒸料罐中 121°C，40min 滅菌后接種綠色木霉液體種子，接種量為0.5L種子液/kg干培養(yǎng)基。接種完成后使物料的含水量約為75% (質(zhì)量比)。接種完成后將培養(yǎng)基在無菌車間裝盤，裝盤高度為10cm，保留料盤上部有5cm的空間。
[0016]培養(yǎng)基滅菌的同時，給發(fā)酵罐進行空消?？障倪^程如下:打開蒸汽閥(12)，從蒸汽管(13)向罐體內(nèi)通入飽和蒸汽，稍微打開放氣閥(5)，保持在滅菌過程中有蒸汽少量排出，以徹底滅菌。滅菌過程保持罐內(nèi)壓力0.1MPa，滅菌時間為30min。
[0017]滅菌完成后，打開罐蓋(7)，通過料盤十字架(15)將料盤(3)吊裝入罐體內(nèi)部。關(guān)閉罐蓋(7)后開始進入發(fā)酵狀態(tài)。發(fā)酵過程的控制流程如下:打開進氣閥(9)，將新鮮空氣通入發(fā)酵罐，空氣經(jīng)過熱交換器和過濾器(10)，確保氣體的溫度在20-22°C之間，同時確保氣體無菌。發(fā)酵罐頂部安裝有壓力傳感器(4)，當發(fā)酵罐內(nèi)部的壓力達到0.02MPa (表壓)時，通過控制系統(tǒng)關(guān)閉進氣閥。間隔2分鐘后，通過控制系統(tǒng)打開放氣閥(5)，將發(fā)酵罐中的氣體排出，對物料起到疏松作用，當發(fā)酵罐內(nèi)部的壓力達到常壓時，通過控制系統(tǒng)關(guān)閉放氣閥。間隔20分鐘后進入下一次進氣操作。發(fā)酵結(jié)束后打開罐蓋(7)，將物料從頂部取出，將生產(chǎn)的酶曲直接低溫干燥后用作飼料添加劑。
[0018]實施例2
利用內(nèi)部列管分布式固態(tài)發(fā)酵罐發(fā)酵黑熱霉iTrichoderma reesei )生產(chǎn)α -酸性淀粉酶。
[0019]采用高徑比為1:1，直徑為2m，罐體圓柱體高度為2m的發(fā)酵罐，體積為6.28m3。罐底部的錐形角度選擇為120°。料盤高度為10cm，料盤層數(shù)為20層。固態(tài)發(fā)酵所使用的培養(yǎng)基為85 %麩皮，10 %玉米淀粉，5 %豆餅粉，料水比1:1。培養(yǎng)基在蒸料罐中121 °C，40min滅菌后接種黑曲霉孢子液(濃度為5 X IO8個/mL)，接種量為0.2L種子液/kg干培養(yǎng)基。接種完成后將培養(yǎng)基在無菌車間裝盤，裝盤高度為6cm，保留料盤上部有4cm的空間。
[0020]培養(yǎng)基滅菌的同時，給發(fā)酵罐進行空消?？障倪^程如下:打開蒸汽閥(12)，從蒸汽管(13)向罐體內(nèi)通入飽和蒸汽，稍微打開放氣閥(5)，保持在滅菌過程中有蒸汽少量排出，以徹底滅菌。滅菌過程保持罐內(nèi)壓力0.1MPa，滅菌時間為30min。
[0021]滅菌完成后，打開罐蓋(7)，通過料盤十字架(15)將料盤(3)吊裝入罐體內(nèi)部。關(guān)閉罐蓋(7)后開始進入發(fā)酵狀態(tài)。發(fā)酵過程的控制流程如下:打開進氣閥(9)，將新鮮空氣通入發(fā)酵罐，空氣經(jīng)過熱交換器和過濾器(10)，確保氣體的溫度在30-32°C之間，同時確保氣體無菌。發(fā)酵罐頂部安裝有壓力傳感器(4)，當發(fā)酵罐內(nèi)部的壓力達到0.02MPa (表壓)時，通過控制系統(tǒng)關(guān)閉進氣閥。間隔2分鐘后，通過控制系統(tǒng)打開放氣閥(5)，將發(fā)酵罐中的氣體排出，對物料起到疏松作用，當發(fā)酵罐內(nèi)部的壓力達到常壓時，通過控制系統(tǒng)關(guān)閉放氣閥。間隔20分鐘后進入下一次進氣操作。發(fā)酵結(jié)束后打開罐蓋(7)，將物料從頂部取出，進行后續(xù)處理。
【權(quán)利要求】
1.一種維持罐內(nèi)適溫發(fā)酵的固態(tài)發(fā)酵方法，其特征在于:固體發(fā)酵面臨的最大問題之一就是傳熱問題，由于固態(tài)發(fā)酵中氣體為連續(xù)相，傳熱系數(shù)小，導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)生的熱量很難及時移出，從而影響微生物的生理活性，本專利發(fā)明的方法通過在穿插于料盤中間的均勻分布的列管中通入冷卻水，能夠及時帶走發(fā)酵產(chǎn)生的熱量，同時由于列管豎直的均勻分布于料盤間，減小了料層間的溫度梯度。
2.一種內(nèi)部均勻分布列管的立式發(fā)酵罐，其特征在于:發(fā)酵罐的基本結(jié)構(gòu)為一個立式圓柱體，高徑比為1:0.5-1:10，發(fā)酵罐采用不銹鋼、碳鋼或者內(nèi)部使用不銹鋼襯里外部使用碳鋼加工制造，發(fā)酵罐的罐蓋(7)采用帶密封的快開門結(jié)構(gòu)，罐蓋(7)上布置有溫度、濕度和壓力傳感器(4)用于監(jiān)控反應(yīng)器內(nèi)部溫度、濕度和壓力并配合發(fā)酵自動控制系統(tǒng)對罐體的操作；發(fā)酵罐內(nèi)均勻分布豎直列管，列管在罐體頂部和底部分別曲折相連成為蛇管，列管內(nèi)通冷卻水，與料盤物料進行熱交換；發(fā)酵罐底部是錐形結(jié)構(gòu)，錐形的角度根據(jù)需要在60° -150°之間選擇，發(fā)酵罐底部安裝排污閥(11)，用于發(fā)酵過程培養(yǎng)基的排放，發(fā)酵罐底部設(shè)置連接冷水機組管路，構(gòu)成一個水冷卻系統(tǒng)；料盤(3)的高度為30-200_，直徑和發(fā)酵罐的直徑相配合，通過料盤十字架(15)吊裝入發(fā)酵罐內(nèi)，料盤(3)底部開有網(wǎng)眼(17);罐體內(nèi)配有料盤提升裝置， 可以使料盤上下推送，根據(jù)料盤高度和反應(yīng)器高的比例，反應(yīng)器內(nèi)部安裝2-50層料盤。
【文檔編號】C12M1/36GK103725609SQ201410002240
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】魏遠 申請人:北京中科百瑞能工程技術(shù)有限責任公司